城市绿地斑块碳汇功能实现的3个途径

多尺度城市绿地碳汇实现机理及途径研究进展

 

摘要：建设与保护城市绿地作为基于自然的解决方案（NbS）的重要策略之一，对减缓气候变化、实现“碳达峰”及“碳中和”具有积极的作用。从多尺度视角全面认识城市绿地碳汇功能，分析其实现途径及其机理，有利于实现城市绿地全生命周期固碳能力提升，助力城市“双碳”目标实现。从城市绿地斑块、城区绿地系统、市域生态空间3个尺度切入，剖析碳汇功能的实现途径及机理，总结各尺度促进绿地碳汇效应提升的关键途径。建议未来应开展城市绿地全生命周期碳汇功能评估框架研究；进行城市绿地碳汇与其他功能间权衡协同关系研究；探究城市绿地碳汇功能景观格局驱动机制。

 

全球气候变化攸关人类的生存和发展，是21世纪人类社会面临的最严峻挑战之一。世界气象组织2021年末发布的报告显示，最近7年（2015—2021年）很可能是有记录以来最热的年份[1]。为应对全球气候变化危机，国际社会将控制人类活动造成的碳排放及增加碳汇视作减缓危机的主要手段[2]。中国政府明确提出2030年实现“碳达峰”、2060年实现“碳中和”，即“双碳”目标，并于2021年末相继颁布《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和《2030年前碳达峰行动方案》。实现“双碳”目标已成为全行业各领域的积极行动方向。

 

城市绿地对实现城市“双碳”目标至关重要。已有研究多从城市绿地碳汇组分及生态系统类型角度阐述城市绿地碳汇功能实现途径。如王小涵等[3]针对城市绿地土壤碳库分析其固碳能力及其影响因素，史琰等[4]评述了城市植被碳汇能力提升途径，赵彩君等[5]从减排与增汇角度分析城市绿地系统对低碳城市的贡献。已有研究反映了一个事实，即城市绿地功能尺度效应决定了基于自然的碳汇方案应具有多尺度特点。

本研究将风景园林规划设计实践尺度分为城市绿地斑块、城区绿地系统和市域生态空间，并以这3个尺度为切入点，通过文献研究，总结不同尺度城市绿地碳汇功能的实现机理及途径，并从问题出发展望相关研究发展方向，以期为提升城市绿地碳汇功能为目标的规划设计和管理等提供科学依据。

 

1城市绿地斑块碳汇功能实现途径

 

1.1倡导以低碳为目标的绿地建设管理措施

 

采用低碳为目标的绿地建设管理措施，将从源头间接增加绿地碳汇量。城市绿地建设管理活动通常采用化石燃料驱动的浇灌机械、割草机、卡车等设备，这些设备在使用过程中排放CO2，间接降低了绿地碳汇能力。Jamirsah等[6]研究表明，公园绿地的碳固定量仅占其建设管理过程CO2排放总量的40%，因而其并未发挥碳汇功能，反而成为城市碳源之一。McPherson等[7]评价了“洛杉矶市百万棵树栽植计划”执行过程中的碳收支情况，表明灌溉活动导致的CO2排放量占项目总排放量的9.7%，削弱了项目带来的碳固定效益。因此，减少城市绿地建设与管理过程的CO2排放量，是增强城市绿地碳汇功能的重要一环。

 

低碳建设管理措施包括降低人为建设管理活动强度以及使用清洁能源。城市绿地建设宜就地取材，依托自然景观本底塑造绿地景观风貌，避免损毁场地原有树木，减少土地翻新等人为活动对植物和土壤的干扰，防止土地覆被变化带来的碳泄漏[8]，同时因地制宜的建设管理活动（如针对不同草坪生长特点减少修剪次数）将减少大型园林机械及车辆使用频率，从而减少CO2排放量[9]。

 

1.2提升绿地植物的碳汇能力

 

城市绿地依托植物光合作用将大气CO2直接固定于绿地碳库。但由于植物自养呼吸、微生物异养呼吸、生物群系呼吸作用等生物有机碳消耗过程[10]，加之管理养护活动产生的大量CO2抵消了植物碳固定量，因而城市绿地直接碳固定量对于降低城市整体CO2排放量作用有限。Reynolds等[11]测算了哥伦比亚麦德林市公共绿地中的182044棵树的碳固定量，表明其碳固定量仅占城市总排放量的0.06%。Liu等[12]估算沈阳市三环以内地区的城市树木碳固定量为每年2.9万t，仅能抵消沈阳CO2年排放量的0.26%。尽管城市绿地植被碳固定能力受多种因素共同影响，但通过合理配植方式依然可以提升绿地斑块碳固定效应。

 

1.2.1选择碳汇能力高的植物

 

绿地植物固碳能力主要依赖于植被类型及其叶面积、生长模式和生物量密度。研究表明，拥有更大叶面积、更高生物量、更长寿命的木本植物碳固定效应贡献更大[13]。非木本植物如草本植物虽然固碳效率高，但其生长周期短（多为一二年生植物），且由于人为修剪、更换频率高，很难有效发挥碳固定效应[4]。Velasco等[14]分析表明墨西哥首都墨西哥城草本植物对总植物碳库碳固定贡献可以忽略不计。Millward等[15]测算多伦多市Allan花园中各树种碳固定量并进行对比，认为固碳效应由高至低依次为苏格兰榆（Ulmusglabra）、银枫（Acersaccharinum）、黑胡桃（Juglansnigra）、挪威枫（Acerplatanoides）。赵艳玲等[16]对上海市社区绿地中常见的27种树木进行固碳量测定，发现香樟树固碳量最高，为1162.8g·d-1，而栀子最低，仅为11.1g·d-1。

 

1.2.2优化植物群落结构

 

植物群落物种类型结构特征对木本和草本植物的生长速度、物候特征、凋落物产量和质量、抗病虫害能力等产生不同程度的影响，从而影响城市绿地固碳能力。优化物种组合类型将最大程度促进物种间互利共生效应和削弱物种间的竞争，充分发挥植物群的固碳整体效益。武文婷等[17]对杭州市绿地植被固碳速率评估发现，针阔混交型和落叶阔叶型群落结构年固碳效率排在7种群落结构类型的前2位，分别达29.754t·hm-2·a-1及27.334t·hm-2·a-1。

 

群落结构层次越复杂越能更好地利用环境资源，同时能提高土壤的水分、养分有效性，进而提高植物群落固碳能力[18]。Escobedo等[19]在美国迈阿密戴德和盖恩斯维尔市进行了碳固定效应研究，认为在植物群落垂直结构中增加灌木和低矮小乔木有助于提升碳固定量。此外，适宜的栽植密度将提高植被水分和养分利用率，增强植被地上、地下生产力，有利于凋落物输入土壤，进而提升植被固碳能力。

 

Mexia等[20]对葡萄牙阿尔马达市城市绿地植被的碳固定研究表明，植被高密度栽植区域的碳固定量明显高于低密度栽植区域。但栽植密度并非越高越好，如依兰等[21]通过对单位面积不同栽植密度的样地固碳量对比，证明栽植密度为300~450株·hm-2的样地固碳量要高于0~300株·hm-2和450~600株·hm-2的样地。优化植物群落模式要因地制宜，例如本土物种对当地的气候和环境条件具有较好的适应性，具有长时间碳累积潜力，而外来物种往往具有较高的固碳效率[22]。

 

 

植物季节变化的生长特征差异决定了一段时间内树木固碳能力的强弱。潘剑彬等[23]对北京奥林匹克森林公园进行了连续6年的观测，发现植物不同季节固碳能力由高至低排序为：夏季>秋季>春季>冬季。李霞等[24]分析了北京海淀公园年CO2通量，证明了植物生长季（3—10月）是绿地碳固定效应发挥的主要时期。

 

此外，确保树木长时间碳累积是提升城市绿地碳汇能力的关键。在树木生命初始阶段，树龄不到10年的速生树种比生长缓慢的树种能固定更多的碳。但长期来看，随着速生树木成熟，生长缓慢的树种比生长迅速的树种将累积更多的碳[25]。

Besnard等[26]研究发现树木年龄是影响其碳固定量的关键因素，树木的碳储量会在其成熟前随树龄升高而增加。但当树木成熟，其碳固定量将逐渐降低，木，避免碳储量泄漏是发挥绿地植物碳累积能力的前提，同时评估树木生长潜力，确保树木具有较长的生长时间将有利于碳固定量累积[28]。并最终保持在一定范围内。Chen等[27]对比不同年龄和气候区森林固碳量，发现森林在栽植10~20年后其净固碳量达到峰值，此后其净固碳量逐渐下降。因此，禁止滥砍滥伐树。

 

 

相较于自然土壤，城市绿地土壤发育受人类活动（如绿地建设过程中对土壤翻动、搬运、压实、覆盖及管理使用过程中施肥、灌溉、踩踏等活动）影响显著，导致土壤理化性质及物质循环过程呈现不同特点[29]。Raciti等[30]针对纽约市的研究表明，自然状态下，绿地土壤有机碳固定量（5.67kgC·m-2）高于经过人为土壤紧实、不透水表面覆被等措施的表层土壤有机碳固定量（2.29kgC·m-2）。

这是由于土壤紧实增加了土壤容重，不利于土壤呼吸等碳循环过程[3]。此外，在绿地植被的保护下，土壤免于因太阳直接辐射导致的温度升高与水分蒸发，为土壤生物活动提供了适宜的水热条件，进而加速了凋落物分解、促进了养分输送效率，增加了有机碳积累[31]。因此，减少人为活动因素对土壤理化性质的负面干扰，保护土壤碳循环过程，增强土壤有机碳积累能力，将有助于城市绿地土壤保持较高的碳固定功能。